Enantiomero

Modelli molecolari dei due enantiomeri dell'acido lattico

Sono detti enantiomeri una coppia di entità molecolari che sono immagini speculari ciascuna dell'altra e non sovrapponibili. Isomeri ottici e antipodi ottici sono sinonimi il cui uso è obsoleto e fortemente scoraggiato.

Le molecole che manifestano questa isomeria sono dette chirali (dal greco χειρ, "mano"); la chiralità è la proprietà delle molecole non sovrapponibili alla propria immagine speculare. Tali molecole non posseggono né piani di simmetria né centri di inversione.

Le molecole chirali presentano nella loro struttura almeno un elemento stereogenico tridimensionale. Esempio di elemento stereogenico è un atomo di carbonio legato a quattro gruppi funzionali diversi.

Un esempio macroscopico di chiralità può essere rappresentato dalle due mani di una persona o dalle due scarpe di un unico paio, ogni mano, o ogni scarpa, rappresenta un enantiomero.

Una miscela 1:1 di due enantiomeri viene detta racemo e rappresentata con i simboli (RS), (dl) o (±). I singoli enantiomeri vengono invece rappresentati con (R) o (S), (d) o (l), (+) o (-).

Nomenclatura degli enantiomeri

Per distinguere due enantiomeri tali per la presenza di un atomo di carbonio con quattro sostituenti diversi, la IUPAC assegna agli isomeri i prefissi (R) (dal latino rectus, destro) ed (S) (dal latino sinister, sinistro); per stabilire quale dei due sia l'isomero (R) e quale l'isomero (S) si segue la regola ideata da Cahn, Ingold e Prelog:

Esempio di applicazione della regola Cahn-Ingold-Prelog

• si ordinano i quattro gruppi legati all'atomo di carbonio "stereogenico" dando priorità maggiore al gruppo che ha direttamente legato all'atomo di carbonio "stereogenico" l'atomo di numero atomico maggiore; se due gruppi sono legati all'atomo di carbonio "stereogenico" con atomi di uno stesso elemento si considerano i due successivi, se anche questi sono uguali si continua lungo le catene fino a quando viene individuata una differenza. A parità di atomi legati, legami tripli e doppi hanno priorità su quelli semplici.

Prendendo ad esempio l'acido lattico (vedi figura sopra; gli atomi rappresentati in nero sono quelli di carbonio, quelli in rosso sono di ossigeno, quelli in bianco di idrogeno), i quattro gruppi sono, in ordine di priorità decrescente

-OH, -COOH, -CH₃, -H

• si osserva l'atomo di carbonio "stereogenico" mantenendo dietro di esso il gruppo a priorità più bassa; si osserva quindi se la sequenza delle priorità degli altri tre, in ordine decrescente, segue una rotazione oraria o antioraria

se la rotazione è oraria si assegna il prefisso (R)

se la rotazione è antioraria si assegna il prefisso (S)

I due modelli riportati in figura sono quindi, rispettivamente, quelli dell'acido (R)-lattico e dell'acido (S)-lattico.
La scritta "acido (RS)-lattico" ne indica sinteticamente il racemo.

L'indicazione (R) o (S) deriva dall'applicazione della regola sopra indicata e non è in relazione con il senso della rotazione del piano della luce polarizzata, unica proprietà fisica che distingue i due enantiomeri. Quando il senso della rotazione del piano della luce polarizzata provocato da ciascun enantiomero è noto, questi può essere indicato nel nome del composto con i prefissi (+) (rotazione in senso orario, enantiomero destrogiro) o (—) (rotazione in senso antiorario, enantiomero levogiro).
I nomi completi dei due modelli riportati in figura sono quindi, rispettivamente, acido (R)-(—)-lattico e acido (S)-(+)-lattico.

Se vi sono due o più atomi di carbonio "stereogenici", ad ognuno di essi viene assegnato il prefisso (R) o (S) in base alle regole sopra esposte.

Per gli zuccheri ed altre molecole di interesse biochimico, data la complessità di molte di queste, non si fa uso dei prefissi (R) ed (S). La distinzione in nomenclatura viene fatta assegnando i prefissi D ed L a seconda che i sostituenti legati all'atomo di carbonio asimmetrico più distante da quello che lega il gruppo carbonilico abbiano disposizione simile a quella della L-gliceraldeide o a quella della D-gliceraldeide.

Un tipo obsoleto di nomenclatura usata per distinguere gli enantiomeri fa uso dei prefissi d ed l minuscoli che distinguono se la molecola è destrogira (enantiomero d) o levogira (enantiomero l), l'acido (R )-(—)-lattico diventa quindi acido (R)-l-lattico mentre l'acido (S)-(+)-lattico diventa acido (S)-d-lattico.

Proprietà e reattività

Due molecole enantiomere l'una dell'altra possiedono le medesime proprietà fisiche, tranne una: la capacità di ruotare il piano della luce polarizzata. Tale capacità, definita potere rotatorio, è uguale in valore assoluto ma opposta di segno per ognuno dei due enantiomeri.

Due molecole enantiomere l'una dell'altra manifestano anche la stessa reattività chimica nei confronti di reattivi non chirali; ben diversa può invece essere la loro reattività nei confronti di un enantiomero di un'altra coppia.

(RS)-A* + X (non chirale) → (R)-A*X (50%) + (S)-A*X (50%)

(RS)-A* + (R)-B* (chirale) → (R,R)-A*B* (>50%) + (S,R)-A*B* (<50%)

L'asterisco indica che la specie è chirale, le indicazioni R e S sono arbitrarie.

Separazione

Una fonte di enantiomeri puri di composti chirali sono le sostanze naturali, da cui possono essere estratti, purificati e opportunamente modificati tramite reazioni che non alterino la configurazione stereochimica della molecola. Per quanto riguarda la sintesi di enantiomeri puri, occorre tener presente che le reazioni tra composti achirali producono sempre racemi.

Il processo attraverso cui da un racemo vengono separati i due enantiomeri puri viene detto risoluzione. La risoluzione di un racemo può essere eseguita per via chimica, sfruttando la diversa reattività che ognuno dei due enantiomeri manifesta verso un reattivo enantiomericamente puro:

(RS)-A* + (R)-B* (chirale) → (R,R)-A*B* + (S,R)-A*B*

I due prodotti della reazione qui sopra, non sono enantiomeri, ma diastereoisomeri e posseggono proprietà chimico-fisiche diverse, ad esempio: diversa solubilità nei solventi (possono quindi essere separati per cristallizzazione frazionata) o diversa forma fisica (uno dei due diastereoisomeri può essere un liquido e l'altro un solido cristallino). Dopo averli separati, viene eseguita una reazione che ripristina i composti iniziali, che saranno quindi enantiomeri puri:

(R,R)-A*B* → (R)-A* + (R)-B*

(S,R)-A*B* → (S)-A* + (R)-B*

Un secondo metodo di separazione di due enantiomeri è la cromatografia su fase stazionaria chirale: i due enantiomeri interagiscono diversamente con la fase stazionaria chirale della colonna e pertanto percorrono la colonna in tempi differenti.

Un terzo metodo di risoluzione può essere quello enzimatico. Gli enzimi sono chirali quindi interagiscono con i due enantiomeri in modo diverso (spesso reagiscono con uno solo dei due enantiomeri); ciò si traduce in una diversa velocità di reazione, molto veloce per uno, molto lenta (o praticamente nulla) per l'altro.

Origine

Sulle cause per cui, nel mondo vivente, le sostanze chirali sono generalmente presenti in forma enantiomerica si hanno solo ipotesi. La più accreditata vuole che l'enantiomeria sia stata originata dalla luce polarizzata circolarmente emessa da alcune formazioni stellari. Nella nebulosa di Orione è stata scoperta una forte sorgente di luce polarizzata circolarmente, e nel meteorite di Murchinson del 1969 in Australia si è riscontrato un eccesso di L-aminoacidi e ciò dimostrerebbe che l'asimmetria chirale era presente prima della vita sulla terra.

Voci correlate

• Isomeria
• Stereochimica
• Elemento stereogenico
• Prochiralità

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